【摘 要】
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微结构光纤(MicrostructuredOpticalFiber,MOF)作为新一代优异的光学介质,具有很多传统光纤所无法比拟的优良特性,如可调色散、高非线性、大模场面积、高双折射等。而超短激光脉冲与MOF相结合的应用会产生丰富的光学非线性现象,成为目前非线性光学和光子学领域的研究热点。它在全光信号处理、光纤通信、光电子集成和光纤器件等各个方面具有广泛的应用前景。
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微结构光纤(MicrostructuredOpticalFiber,MOF)作为新一代优异的光学介质,具有很多传统光纤所无法比拟的优良特性,如可调色散、高非线性、大模场面积、高双折射等。而超短激光脉冲与MOF相结合的应用会产生丰富的光学非线性现象,成为目前非线性光学和光子学领域的研究热点。它在全光信号处理、光纤通信、光电子集成和光纤器件等各个方面具有广泛的应用前景。本文从理论和实验上深入研究了MOF的色散和非线性特性,并开展了相关的应用研究。主要工作和创新成果如下:第一,研究并提出了具有高双折射和高非线性的V型MOF(V-shapedMicrostructuredOpticalFiber,VMOF),圆形空气孔和二氧化硅材料的设计使得VMOF的制备更加方便。利用全矢量有限元法分析了VMOF的双折射、色散和非线性系数等参数;进一步优化得到其最佳结构参数,使其在通信窗口中具有较高的双折射、零色散波长和较强的非线性系数。另外,其零色散波长从1.15μm增加到1.55μm,且反常色散区的范围包含了钛宝石激光器的工作波长,这非常有利于进行非线性实验,从而可在非线性光学和生物光子学中得到重要应用。第二,理论和实验研究了一种具有低色散和高非线性的掺镱V型MOF(Yb-dopedV-shapedMicrostructuredOpticalFiber,Yb-VMOF)。通过将飞秒脉冲耦合到Yb-VMOF的基模,在可见光波段基于相位匹配的四波混频,有效生成了可调谐的反斯托克斯信号(Anti-StokesSignal,ASS)。其ASS在562～477nm的波长范围内,可调谐波长范围超过100nm。477nm波长处的ASS光和830nm波长处剩余泵浦光的最大功率比达到23.9:1,转换效率在80%以上,对实验结果的分析,展示了泵浦波长和功率对信号转换的影响。这方面的研究成果有助于在超快光电子和光谱学中超短脉冲光源的进一步研究和应用。第三,研究了超宽带的超连续谱(Supercontinuum,SC)产生。利用800nm波长附近的超短激光脉冲耦合进入二氧化硅MOF中,在其基模的零色散点附近的正常色散区,通过简并四波混频、交叉相位调制、和受激拉曼散射等非线性效应的相互作用,产生了紫外到可见的SC。当泵浦输入脉冲的中心波长为800nm,平均功率为500mW时,超过40%的入射泵浦光功率被转换到紫外至可见光的频谱区域。研究了在不同光纤长度下的SC频谱演化,进一步分析了其非线性传输机理。这种紫外到可见光的SC将在以紫外和可见光为基础的生物光子学和光谱学中有着重要应用。第四,实验研究了覆盖通信波段的近红外SC的产生。将波长为1550nm的飞秒脉冲耦合到全正常色散(All-NormalDispersion,ANDi)二氧化硅MOF中,其基模产生的SC覆盖通信波段,带宽达到435nm。这是利用ANDi特性材料获得的宽带宽SC,其频谱产生过程中的非线性动力学为自相位调制和光波分裂。这种宽带SC可作为光源在波分复用和光子网络系统中发挥重要的应用潜能。第五,实验研究了高非线性和低色散的MOF中二次谐波和三次谐波同时产生的现象。当泵浦波长为790nm、功率为450mW的飞秒激光脉冲在MOF中传输时,基于其基模和高阶模之间的相位匹配,在深紫外到可见光波段罕见地同时产生了二次谐波和三次谐波,分别位于294nm、502nm和618nm波长处,且在294nm到618nm的谐波范围内总转换效率高达10.59%。这些谐波可作为多频光源将在超快光子学和共振喇曼散射中具有重要的应用价值。第六,仿真分析了拉锥MOF和级联拉锥MOF的特性及SC的产生,并系统分析了初始脉冲宽度和峰值功率等参数对SC的影响,从而为拉锥和级联拉锥MOF的实验研究提供了重要的理论依据。利用MOF的拉锥后处理技术,制备了级联拉锥MOF,并利用它实验研究了波长转换的产生,分析了泵浦输入光的功率和波长对转换效率的影响,实验结果表明:越靠近锥腰区的零色散点,其转换效率越高;当泵浦输入光的波长为800nm、功率为0.4W时,产生的ASS光与剩余残余泵浦光的最大功率比为6.3:1。这些研究成果对于超快光子学中新型光器件的研制和应用具有很好的参考作用。
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